НЕТКАНЫЙ ГЕОТЕКСТИЛЬ ИЗ ШТАПЕЛЬНОГО ВОЛОКНА: обзор технологии

Нетканый геотекстиль – это водопроницаемый материал, изготовленный из натуральных или искусственных полимеров путем механического или термического адгезивного закрепления волокон, нитей или филаментов.

Нетканые геотекстили являются самыми распространенными в своей группе. Нетканые геотекстили обладают невысокой прочностью и большой растяжимостью. Удлинение при разрыве этих материалов доходит до 70%. В силу этого нетканые геотекстили применяются как разделительные слои, препятствующие перемешиванию грунтов, а также как фильтры в конструкциях дренажей. Нетканые геотекстили используют и в качестве защиты гидроизоляционных элементов от механических повреждений. Так, нетканые геотекстили используются для защиты геомембран при устройстве противофильтрационных экранов при строительстве полигонов для захоронения отходов.

Начало производства нетканого текстиля было положено в конце 40 гг. прошлого века и достигло своей фазы развития в 1950 гг., за которой последовало торговое распространение в 1960-х. На протяжении следующих 35 лет, промышленность по производству нетканых материалов закрепила свои позиции на рынке, предоставляя экономически выгодную альтернативу обычному текстилю и предлагая специально разработанные продукты для целевых конечных назначений. Промышленность нетканого текстиля пережила экономический спад лучше, чем промышленность по производству обычного текстиля и развивалась с большей скоростью.

В промышленности нетканого текстиля используются подобные сырьевые материалы, как и при производстве обычного текстиля. В производстве геотекстиля используются в основном промышленные (искусственные) волокна, включая полиолефины (полиэтилен и полипропилен), полиэстер и, в меньшей степени, нейлон, акриловые волокна, арамиды и другие.

Число технологических процессов изготовления нетканых материалов выросло за последнее время приблизительно до десяти. К их числу можно отнести: спанбонд (spunbond), фильерно-раздувной (melt blown), аэродинамический (air laid), гидравлическое или влажное холстоформование (wet laid), сухое холстоформирование (dry laid - волокна связываются либо иглопробиванием, либо термическим или химическим способом).

В производстве геотекстиля наибольшее распространение получили два технологических процесса:

1. Спанбонд;
2. Сухое холстоформирование.

При этом мировая тенденция в производстве нетканого геотекстиля свидетельствует о наиболее интенсивном развитии спанбонда.

Искусственные (синтетические) волокна, применяемые в производстве геотекстиля:

Наиболее популярными полиолефиновыми волокнами являются полипропиленовые и полиэфирные. Эти полимеры преобразовываются в штапельные волокна, которые соответственно преобразовываются в нетканые материи. Или же полимеры преобразуются в нетканые материи по технологии спанбонд, с помощью экструдирования полимеров до волокон, которые формируются в холст и соединяются термическим способом.

В производстве геотекстиля по технологии спанбонд наибольшее распространение получил полипропилен.

Термопластичные волокна из полиэфиров (полиэстера) полимеров и сополимеров широко используются в спанбонде и в штапельных волокнах.

Нейлоновые волокна используются только в небольших количествах в виде штапельных волокон и в нетканых материалах, изготовленных по технологии спанбонд. Основной областью использования нейлоновых нетканых материалов, изготовленных по технологии спанбонд, являются укрепления подосновы дорожного покрытия и стекловолоконные фильтры. Материалы обеспечивают низкую поверхность трения для подосновы, что облегчает установление дорожного покрытия.

Производство нетканого геотекстиля из штапельного волокна

Процесс изготовления нетканого геотекстиля из штапельного волокна можно разделить на три стадии:

•Формирование холста;
•Скрепление волокон в холсте;
•Финишная обработка.

В этом случае основным сырьем для производства выступают штапельные волокна. Производство штапельных волокон включает в себя несколько основных этапов:

•Приготовление расплава;
•Формование волокна;
•Отделка сформированного волокна.

Приготовление расплавов начинают с перевода исходного полимера в вязкотекучее состояние - расплав. Затем расплав очищают от примесей и пузырьков воздуха и вводят в него различные добавки для термо - или светостабилизации волокон, их матировки и т.п. Подготовленный таким образом расплав подаётся на прядильную машину для формования волокон. Расплав подготавливается в экструзионной системе.

Формование волокон заключается в продавливании расплава через мелкие отверстия фильеры в среду, вызывающую затвердевание полимера в виде тонких волокон. В зависимости от назначения и толщины формуемого волокна количество отверстий в фильере и их диаметр могут быть различными. Фильеры могут быть различной формы (круглые, квадратные, в виде треугольников) и размеров. При производстве волокон в фильере может быть до 40 000 отверстий.

При формовании волокна из расплава полимера средой, вызывающей затвердевание полимера, служит холодный воздух. Скорость формования зависит от толщины и назначения волокон, а также от метода формования. При формовании из расплава скорость достигает 600-1200 м/мин, из раствора по "сухому" способу - 300-600 м/мин, по "мокрому" способу - 30-130 м/мин. Расплав в процессе превращения струек вязкой жидкости в тонкие волокна одновременно вытягивается (фильерная вытяжка).

Отделка волокна заключается в обработке свежесформованных волокон различными реагентами. Характер отделочных операций зависит от условий формования и вида волокна. Для придания волокнам таких свойств, как мягкость, повышенное скольжение, поверхностная склеиваемость одиночных волокон и др., их после промывки и очистки подвергают авиважной обработке или замасливанию. Затем волокна сушат на сушильных роликах, цилиндрах или в сушильных камерах. После отделки и сушки некоторые волокна подвергают дополнительной тепловой обработке - термофиксации (обычно в натянутом состоянии при 100-180 С), в результате которой стабилизируется форма пряжи, а также снижается последующая усадка как самих волокон, так и изделий из них во время сухих и мокрых обработок при повышенных температурах.

При изготовлении нетканых материалов, в зависимости от сферы применения, используются различные способы формирования холста, скрепления волокон, а так же финишная обработка.

Формирование холста

Процесс формирования холста, в свою очередь разделяется на два этапа: холстоформирование и холстообразование.

I. Холстоформирование - это способ формирования хоста первичного сырья (волокон). При производстве нетканого геотекстиля используют следующие способы холстоформирования:

1. Сухое холстоформирование (drylaid), при котором при изготовлении нетканых материалов используется вата из первичных волокон. Схематически данный процесс представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Схема холстоформирования drylaid

2. Гидравлическое или влажное холстоформирование (wetlaid). Данный способ так же называется бумагоделательным. Особенностью данного способа холстоформирования является то, что изотовле6ние нетканых полотен, происходит путем отлива водной суспензии, на сеточную часть бумагоделательной машины.

Рис. 2. Схема холстоформирования wetlaid

3. Фильерный метод (спанбонд). Данный способ производства рассмотрен в следующем параграфе.

II. Хостообразование - это процесс, в результате которого производится сформированное полотно, готовое к дальнейшей обработке. В производстве нетканых материалов этот процесс является основным и важным, так как он позволяет заложить требуемые свойства нетканого материала. В основном он предусматривает использование чесального и аэродинамического способа холстообразования.

1. Чесалный способ. В данном случае холст образуется в результате прочеса исходных волокон на чесальных машинах. Волокна прочесываются рабочими органами чесальной машины с игольчатой поверхностью, и укладываются в холст на приемник.

2. Аэродинамический способ (Airlaid). При данном способе холст формируется под воздействием воздушного потока на поверхности перфорированного барабана или сетчатого конвейера. Предварительно разрыхленные и смешанные волокна обрабатываются быстровращающимся чесальным барабаном (или несколькими барабанами), отделяются от чесальной гарнитуры с помощью воздушной струи и транспортируются воздушным потоком к месту формирования холста.

Рис. 3. Схема аэродинамического способа холстообразования

Скрепление волокон

Следующим этапом изготовления нетканых материалов является скрепление волокон в холсте. В зависимости от исходного сырья, способа холстообразования, и требований к конечному материалу можно выбрать один или несколько видов скрепления волокон.

1. Химическое скрепление волокон (Chemical bonding). Пропитка происходит путем прохождения холста через ванну со связующем раствором и дальнейшей сушкой горячим воздухом, так же связующее может быть добавлено в суспензию волокон, при бумагоделательном способе холстоформирования. Данный способ подходит для всех видов органических и синтетических волокон.

Пропитка холста при полном погружении

Пропитка холста пеной

Рис. 4. Схема химического скрепления волокон

2. Термическое скрепление волокон.(Thermal bonding). Способ термоскрепления основан на скреплении волокон в волокнистом холсте термопластичными связующими, в качестве которого используются термопластичные волокна или порошки. Скрепление холста достигается путем размягчения термопластичных волокон и их сплавление между собой или с другими термопластичными волокнами. В этом процессе можно применить термопластичные волокна, обладающие достаточной термостойкостью, т.е. не разрушающиеся при температуре размягчения (плавления), например полипропиленовые, полиэтиленовые.

Существует несколько основных разновидностей способа термоскрепления волокнистого холста:

•в зазоре нагреваемых валов гравированного каландра;
•между нагреваемой поверхностью барабана и сопровождающей лентой;
•горячим воздухом на сетчатых конвейерах или перфорированных барабанах.

В первых двух случаях получают преимущественно плоские нетканые полотна, в последнем – объемные нетканые полотна. При изготовлении объемных нетканых термоскрепленных полотен в качестве термоплатичных связующих могут использоваться как термопластичные волокна, так и порошки.

Скрепление полотен гравированным валом

Скрепление полотен горячим воздухом

Рис. 5. Схемы термического скрепления волокон

3. Механическое скрепление. Под механическим способом получения нетканых материалов следует понимать способ при котором происходит физическое скрепление волокон между собой без использования каких либо клеящих составов или нагрева, а только путем переплетения волокон между собой. Наиболее распространенными видами данного способа скрепления можно считать иглопробивной и гидроструйный способы скрепления волокон.

Иглопробивание. Процесс получения иглопробивных полотен с заданными физико-механическими свойствами осуществляется с помощью иглопробивных машин. В технологии получения иглопорбивных нетканых материалов этот процесс мажет быть вспомогательным или основным. В первом случае холст, прошедший иглопробивную машину, подвергается дальнейшей физико-механической обработке (клееные прокладочные, напольные покрытия и т.д.). Во втором случае процесс иглопробивания применяется как способ упрочнения, при этом получают готовый нетканый материал с заданными физико-механическими и структурными свойствами. Процесс иглопробивания холста основан на использовании зазубрин (насечек) игл, которые проходят через холст, протягивают (перепутывают) волокна в поперечном направлении.

Рис. 6. Схема механического скрепления волокон – иглопробивание

Гидроструйный способ скрепления. Он основан на переплетении волокон материала струями воды под высоким давлением. Обычно плотно скрепляется на перфорированном барабане с помощью струй воды бьющих под высоким давлением из фарсуночных балок.

Рис. 7. Схема механического скрепления волокон – гидроструйный способ

Эти различные процессы соединения могут также часто комбинироваться.

Конечная отделка

Под конечной отделкой нетканых материалов подразумевается процесс придания нетканым материалам необходимых свойств: водонепроницаемость, воздухонепроницаемость, негорючесть, стойкость на разрыв и т.д. Для того, что бы придать материалу те или иные свойства прибегают к следующим процессам:

1. Пропитка специальными составами. Как правило это происходит путем погружения материала в специальную ванну с дальнейшее сушкой материала в специальных печах.

Рис. 8. Схема пропитки нетканого материала

2. Ламинация различными материалами. Данная обработка материала позволяет придать материалам повышенные барьерные свойства.

Рис. 9. Схема ламинации нетканого материала

C текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка, а также с анализом оборудования для производства нетканого геотекстиля можно познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок нетканого геотекстиля в России» и «ТЭО организации производства нетканого геотекстиля».

Об авторе:

Академия Конъюнктуры Промышленных Рынков оказывает три вида услуг, связанных с анализом рынков, технологий и проектов в промышленных отраслях - проведение маркетинговых исследований, разработка ТЭО и бизнес-планов инвестиционных проектов.

• Маркетинговые исследования
• Технико-экономическое обоснование
• Бизнес-планирование

www.newchemistry.ru